云臺滅火裝置在樓宇消防系統(tǒng)中的應(yīng)用及可行性分析

魏金靈，王樹亮，鄧心怡

（1.杭州蕭山技師學(xué)院，浙江杭州， 311200；2.浙江省送變電工程有限公司，浙江杭州， 311200）

0 引言

消防安全關(guān)乎人們生命財產(chǎn)，因不可控因素，樓宇火災(zāi)時有發(fā)生，給國家和人民帶來了一定的損失。當(dāng)下樓宇消防的管理規(guī)定已日益完善，從總控管理室到各樓道辦公室的消防管道、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)能較好地發(fā)現(xiàn)火源并撲滅火災(zāi)?；馂?zāi)防控?zé)o小事，既要見微知著的良好習(xí)慣，又要不斷日益智能化的可靠滅火設(shè)備[1]。針對原消防管道噴灑滅火不精準(zhǔn)等問題，本文設(shè)計了智能樓宇云臺滅火裝置，云臺消防滅火裝置在原樓宇消防管理體系裝置的前提下能夠匹配已有系統(tǒng)，預(yù)防火源并定點滅火，保衛(wèi)人們生命財產(chǎn)安全[2]。

1 云臺滅火裝置系統(tǒng)設(shè)計

云臺滅火裝置采用220V市電供電，并經(jīng)過內(nèi)部開關(guān)電源實現(xiàn)降壓給控制、執(zhí)行線路供電工作，系統(tǒng)核心控制器是宏晶STC8G2K64S4芯片，具備多數(shù)據(jù)存儲和執(zhí)行力，可提高控制算法執(zhí)行速度與裝置的控制效果。云臺定位由兩個舵機組成X、Y雙軸定位系統(tǒng)，通過底板安裝與運動控制程序可實現(xiàn)空間定位能力，系統(tǒng)中水槍部分提供接口，只對電磁閥控制，再由電磁閥控制水槍開關(guān)實現(xiàn)出水滅火功能。

為了提高裝置的穩(wěn)定性及運行能力，在系統(tǒng)設(shè)計方面具備溫度檢測和光強度檢測的反饋。其中光強度檢測反饋用于實時反映裝置輻射區(qū)域內(nèi)光強的變化，用于校準(zhǔn)云臺滅火裝置的定位精度，溫度檢測用于輔助判斷火源大小及火災(zāi)極端的保護措施，使云臺滅火裝置能夠正常工作。系統(tǒng)是采集串口端的定位數(shù)據(jù)，并運算處理得出空間定位數(shù)據(jù)調(diào)動舵機云臺機構(gòu)實現(xiàn)工作的，空間定位的數(shù)據(jù)由上位機軟件通過視覺等方式獲取，系統(tǒng)裝置用于通訊處理并執(zhí)行。WiFi通訊模塊的設(shè)定讓裝置預(yù)備廣域網(wǎng)交互能力，可使用手機等遠程控制裝置動作執(zhí)行，用于設(shè)備調(diào)試及特殊情況應(yīng)用。

2 機械三維模型設(shè)計

■2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

云臺滅火裝置能夠滿足空間區(qū)域移動及定位能力，常用直流電機機構(gòu)需要反饋閉環(huán)控制，由舵機構(gòu)成的云臺控制器具備精度可靠、控制簡單的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。裝置通過固定底板在對垂直墻面安裝使用，整體由Z軸旋轉(zhuǎn)舵機和Y軸舵機構(gòu)成，X軸舵機控制云臺裝置橫向掃描定位，Y軸舵機在X軸基礎(chǔ)上實現(xiàn)縱向掃描定位，加裝在Y軸旋轉(zhuǎn)舵機支架上的水槍可以結(jié)合空間旋轉(zhuǎn)加水壓力實現(xiàn)定點滅火功能。

圖2 云臺結(jié)構(gòu)示意圖

裝置優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單并維護、安裝方便，在控制器執(zhí)行控制時不需要反饋，只要將運算好的脈沖送至雙自由度舵機執(zhí)行機構(gòu)即可實現(xiàn)功能。

■2.2 三維建模

云臺結(jié)構(gòu)分析中，Z軸舵機優(yōu)先度要高于Y軸，在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)奇角，通過程序調(diào)整可以規(guī)避，裝置中的多裝置主從機通信在不同空間安裝也可實現(xiàn)盲區(qū)識別問題。圖3模型結(jié)構(gòu)圖中說明云臺滅火裝置的安裝示意圖及模型結(jié)構(gòu)圖，要通過實時數(shù)據(jù)調(diào)整與空間定位中運動結(jié)構(gòu)能力極限進行安裝位置的調(diào)整，在針對特殊使用場合可將Z軸旋轉(zhuǎn)舵機改為360°具備平臺周旋轉(zhuǎn)能力提高檢測范圍能力，Y軸縱向控制能力要受到機械結(jié)構(gòu)限制，只能以畫半圓的方式移動。

圖3 云臺模型結(jié)構(gòu)圖

3 電氣控制線路

■3.1 控制器與信號采集

樓宇消防云臺滅火裝置可以采集溫度、光強數(shù)據(jù)，輸出脈沖控制舵機空間定位，能夠與電腦定位數(shù)據(jù)通信，并可遠程掛網(wǎng)控制，其控制器原理如圖4所示。裝置使用控制器是國產(chǎn)STC中8位單片機系列的高進度、高速處理芯片，其內(nèi)部集成化好，擯除了常見MCU中的復(fù)位與晶振電路，簡化了結(jié)構(gòu)并提高了運行效率。

圖4 控制器原理圖

信號采集由溫度傳感器和光強傳感器組成，均為提高裝置定位能力反饋輔助作用，使用工業(yè)傳感器芯片及敏感元件組成，且通信方式為I2C和單總線數(shù)字化通信方式。溫度傳感器是DS18B20，溫度檢測范圍廣泛且集成度好，滿足樓宇火災(zāi)檢測的范圍要求，通信穩(wěn)定不容易跳動。光照度傳感器是BH1750，具備高中低三種通訊方式，光照度檢測Lx快速穩(wěn)定，I2C通信與MCU控制器高速采集，內(nèi)部數(shù)字量轉(zhuǎn)化處理簡單清晰。

■3.2 舵機控制電路

舵機用于雙軸自由度定位，如圖5所示，為提高控制器對舵機控制能力，使用三極管構(gòu)成推挽電路。MCU控制器編程開啟內(nèi)部硬件寄存器，輸出固定脈沖頻率的硬件PWM脈沖，調(diào)節(jié)高電平時間實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)動角度的控制，舵機頻率與時間給定是通用性20ms。由于舵機慣性會導(dǎo)致運行瞬間電流加大，因此在舵機控制器的供電兩端加裝了電容分擔(dān)啟動電流負擔(dān)。

圖5 舵機控制電路圖

■3.3 串口數(shù)據(jù)通信

串口數(shù)據(jù)通信一是將上位機裝置的視覺等處理后的定位數(shù)據(jù)送至滅火裝置中執(zhí)行定位滅火，二是可實現(xiàn)主從機通信對多個滅火裝置聯(lián)動控制。圖6上位機通信電路圖將單片機串口的TTL信號通過MAX232芯片實現(xiàn)了電腦端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，電腦端口的相關(guān)坐標(biāo)數(shù)據(jù)可由此電路對單片機控制器完成定位控制。

圖6 上位機通信電路圖

多個裝置之間通信是要使用485差分信號通信的方式實現(xiàn)的，由一主多從構(gòu)成，從機具備專屬地址，主機通過對目標(biāo)裝置地址的訪問實現(xiàn)控制對從機的控制。裝置控制器中是執(zhí)行的基于485硬件結(jié)構(gòu)Mudbus RTU的通信，其數(shù)據(jù)傳輸具備準(zhǔn)確率高，執(zhí)行高效的優(yōu)點，且數(shù)據(jù)設(shè)備之間互不干擾。

圖7 485通信圖

■3.4 WiFi遠程通信模塊

在正常使用時，裝置只需要與電腦中的攝像頭定位完成數(shù)據(jù)交互即可，涉及遠程遙控就需要使用WiFi模塊完成網(wǎng)絡(luò)連接與穿透，將本裝置掛靠到廣域網(wǎng)絡(luò)上，并通過手機中IP地址訪問實現(xiàn)遠程控制裝置的功能。圖8是基于有人WiFi 232模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的原理圖，有指示燈可以指示網(wǎng)絡(luò)的連接狀況，并且與單片機控制器采用串口通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，配置協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)路由器即可網(wǎng)絡(luò)穿透，操作簡單，性能強大。

圖8 WiFi模塊原理圖

■3.5 系統(tǒng)輔助電路設(shè)計

輔助電路由電源電路和信號濾波、按鍵及數(shù)碼管顯示組成，開關(guān)電源將市電轉(zhuǎn)換為5V電源供電，按鍵和數(shù)碼管可對工作模式切換與調(diào)整，并實時顯示狀態(tài)。結(jié)合裝置的各組成電路完成云臺滅火裝置的系統(tǒng)電路框架，并由控制器邏輯程序?qū)崿F(xiàn)模塊間協(xié)調(diào)作用，將串口送入的視覺等信號處理的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)調(diào)動云臺裝置實現(xiàn)火源定點滅火的功能。

4 算法執(zhí)行與優(yōu)化

云臺滅火裝置系統(tǒng)核心程序是數(shù)據(jù)通信處理，和舵機云臺定位控制。裝置控制器不能單獨控制，必須要接收上位機電腦發(fā)送的視覺等會傳感器檢測到火源后生成的圖像坐標(biāo)數(shù)據(jù)才可以正常執(zhí)行工作，其系統(tǒng)流程圖如圖9所示。程序中串口數(shù)據(jù)采集部分采用數(shù)據(jù)校驗通信方式，確保上位機與裝置之間數(shù)據(jù)交互的準(zhǔn)確性，實時將圖像坐標(biāo)數(shù)據(jù)送至內(nèi)部程序處理，分支處有對外界控制信號的檢測，手機等外界裝置連接WiFi掛靠廣域網(wǎng)的IP可對舵機云臺裝置直接作用控制，用于處理的角度校準(zhǔn)及后期維護使用。

圖9 系統(tǒng)流程圖

定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)是由前端攝像頭采集經(jīng)過電腦端處理生成的，外界環(huán)境的變化會引起數(shù)據(jù)波動。本裝置提供的溫度、光強傳感器可對外界環(huán)境檢測并反饋，將數(shù)據(jù)補償給受到干擾的圖像坐標(biāo)數(shù)據(jù)，穩(wěn)定定位數(shù)據(jù)。將定位數(shù)據(jù)與實際舵機旋轉(zhuǎn)角度匹配，將差值填充給輸出脈沖的高電平脈寬，實現(xiàn)隨坐標(biāo)數(shù)據(jù)變化而變化的固定頻率下脈寬變化的PWM信號。最后舵機識別到信號完成角度旋轉(zhuǎn)，同時根據(jù)火源的有效面積開啟水槍電磁閥實現(xiàn)定點滅火功能。

5 實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

樓宇消防云臺滅火裝置以紅色模擬火焰取得試驗數(shù)據(jù)如表1所示，視覺處理分析使用上位機處理完成，攝像頭對紅色閾值提取，將空間中的物體位置轉(zhuǎn)換為圖像坐標(biāo)像素的形式，并經(jīng)過串口與云臺滅火裝置數(shù)據(jù)通信。裝置控制器結(jié)合環(huán)境信息反饋對定位數(shù)據(jù)補償轉(zhuǎn)換，并驅(qū)動舵機云臺與水槍電磁閥實現(xiàn)控制，其實驗如圖10 裝置實驗?zāi)M所示，能夠較好地追蹤并定位模擬火源的位置。

圖1 云臺滅火裝置系統(tǒng)圖

表1 定位滅火試驗表

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圖10 裝置實驗?zāi)M圖

溫度與光照補償對裝置的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用，隨著日照變化，攝像頭數(shù)據(jù)反饋的目標(biāo)坐標(biāo)值偏移幅度較大，光照度的反饋能夠有效地補充數(shù)據(jù)坐標(biāo)缺失，根據(jù)對定位準(zhǔn)確度的實際試驗，裝置定位準(zhǔn)確率在極限位置時偏值較大，說明奇點對裝置有一定影響，可以通過多個裝置角度通訊互補解決問題，并提高定位精度。

6 結(jié)束語

本云臺滅火裝置通過樣機設(shè)計制作提出的在樓宇消防系統(tǒng)中輔助滅火裝置的可行性做了分析，并通過數(shù)據(jù)驗證了裝置的功能。在實際使用中如何進一步提高定位精度與水壓力之間的結(jié)合使用還需要深度思考分析[3]。綜上所示，本文敘述的云臺滅火裝置能夠有效地與消防平臺數(shù)據(jù)通信對接，云臺滅火裝置能夠?qū)崿F(xiàn)火源的定位并開啟水泵有效滅火，裝置具備一定的實用性，結(jié)合樓宇消防管道實現(xiàn)消防滅火管控能力。